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燃料电池发电系统应用分析摘要随着世界能源需求的不断增加，清洁的分布式电源变得越来越重要。燃料电池作为一种环保的、界面友好的可再生能源和理想的分布式电源，可以广泛地应用十各行各业，并目_是一种非常理想的分布式电源。与传统能源相比，燃料电池发电技术具有政治、经济和环境方面的优势。燃料电池系统清洁、安静、高效、热电联供的特性，使它们适合十偏远地区和电力基础设施薄弱的发展中国家。燃料电池技术经过近半个世纪的研究和开发，加以发达国家政府的政策扶持，燃电池技术有了长足的发展，某些类型的燃料电池已经步入商业化应用和军事应用阶段。_燃料电池作为分布式电源应用和部队通信装备电源应用是非常理想的，这为燃料电池发电系统在我国和军队的发展展现了广阔的前景。 本文通过对燃料电池基本知识的介绍，阐述了燃料电池的工作原理、种类和特性。对燃料电池的发展历史、国内外燃料电池商业化研发和应用现状和发展趋势进行了比较清晰的阐述，并对我国军队的通信电源供电的现状及质子交换膜燃料1电池技术在通信电源领域的应用优势和前景进行了比较全面的分析，提出了发展野战质子交换膜燃料电池需要解决的关键技术。 在文中，提出了一个燃料电池单体的动态电气化学模型，用十表现、模拟和评估小型燃料电池发电系统特别是质子交换膜燃料电池堆的各项性能，模拟仿真的结果展现了燃料电池的输出电压、效率和功率与负载电流的关系和良好的负载动态响应能力，提出了实际应用中的峰值功率等问题。根据燃料电池发电系统、部队用户负载和既设供电设施之间的所要求的交互程度，本文提出了部队应用燃料电池发电系统的四种运行模式。并目_针对不同的运行模式，提出了部队可能应用的场所和相应的接口形式、控制原则。 本文根据通信部队集中发信台站的负载类型和特点，对燃料电池输出的电压一电流极化特性所带来的空载和满载电压差别，提出了应用模块式燃料电池的接口方案，通过模拟仿真，优化分析了以降电压控制技术为控制手段的多电平直流抓制器的接口方案，有效地解决了在发信机投入过程中负载电流变化时燃料电池发电系统电力接口器件减载运行问题，带来诸如模块化操作和增强发电可靠性等优点，提高了模块化燃料电池系统的利用率。abstract With the increase of energy demand, clean the distributed power becomes more and more important. Fuel cells as a kind of environmental protection, friendly interface of renewable energy and ideal of the distributed power, can be widely ten industries, and eye _ is a very ideal distributed power supply. Compared with the traditional energy, fuel cell power technology has the political, economic and environmental advantages. Fuel cell system clean, quiet, efficiency, and the characteristics of the event, make them suitable for 10 remote areas and the power of the weak infrastructure in developing countries. Fuel cell technology after nearly half a century of research and development, to the developed countries of the policy of the government support, fuel cell technology has developed rapidly, some types of fuel cells have entered into commercial application and military application stage. _ fuel cell as the distributed power application and forces communication equipment is very ideal power application, this for fuel cell power generation system in China and the development of the army showed the broad prospect.This article through to the basic knowledge of the fuel cell, the author introduces the working principle of the fuel cells and the types and characteristics. The development history of fuel cells, and fuel cell research and development and commercialization application status and development trend of clear, and also our troops to the communication power supply and the status of proton exchange membrane fuel cell technology in communication power supply 1 in the field of application advantages and prospect of comprehensive analysis, it raises the field of proton exchange membrane fuel cell needs to solve the key technology.In this paper, put forward a fuel cell monomer dynamic electrical chemical model, with ten performance, simulation and evaluation small fuel cell power generation systems especially proton exchange membrane fuel cell stack of various performance, the results of the simulation show the fuel cell, the output voltage of efficiency and power and load current relations and the good load dynamic response ability, the paper put forward a practical application of peak power. According to the fuel cell power generation systems, forces the user load and power supply facilities is set for interaction between the degree, this paper puts forward fuel cell power generation system application forces of four operating mode. And orders for the operation mode of the different _, and puts forward the application of troops could place and the corresponding interface form, control principle.This paper according to communication unit of the station sent a concentrated load types and characteristics of the fuel cell and the output voltage a current polarization characteristic brings the no-load and full load voltage difference, and put forward the application module type of fuel cell interface scheme, through the simulation, optimization analysis to drop the voltage control technology for control of the means of multilevel dc catch making machines interface scheme, which can effectively solve the letter in the process of investment in machine load current change fuel cell electric power generation system interface device and reducing load operation problem, bring about such as modular operation and enhance power reliability etc, and improve the utilization rate of modular fuel cell systems.关键字:质子交换膜燃料电池，发电系统，军事应用，模型仿真，电力接口Key word: proton exchange membrane fuel cell, power generation system, military applications, model simulation, power interface1 绪 论1.1 引言能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。能源是改变工业和全球经济的一个重要领域。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。工业和人口的压力会增加未来对清洁能源的需求。生物技术革命可能使人的预期寿命延长，需要的能源会更多；电子业的发展肯定会要求更多的电能来开动机器；旅游、食品加工和金融都会增加对能源的需求。人类对健康生活的不懈追求，对空气质量要求越来越高，同时气候的改变造成自然灾害的频发，迫使世界各国重新审视他们的能源应用政策。同时，各国的能源需求持续增长，对国外的石油依赖程度越来越高，这严重影响着一个国家的安全环境。因此，研究、开发和应用清洁的、可更新的能源技术成为当务之急。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。自从上个世纪60年代进行开发以来，截止于2002年5月，在全世界建设和投入运行的燃料电池发电系统大约有530个。这个数字还不包括输出功率10kW以下的燃料电池发电装置。燃料电池发电是在一定条件下使燃料（主要是H和氧化剂（空气中的）发生化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池不同,只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规火力发电不同：它不受卡诺循环限制，能量转换效率高。与常规发电方式相比燃料电池具有以下优点:(1)发电效率可达50-60%，组成的联合循环发电系统在10-50MW规模即可达到70%以上的发电效率；(2)与传统的火电机组相比，CO2的排出量可减少40-60%。NOX和SOX的排放量很少；(3)小型高效，可提高供电可靠性；(4)低噪音、电力质量高；(5)负荷变化率高；(6)燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等；(7)模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短；(8)占地面积小于 1m/kW；(9)自动化程度高，可实现无人操作。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是 21 世纪最有吸引力的发电方法之一。美国、欧洲和日本等发达国家投入巨资，并加以政策扶持，快步进入燃料电池以工业规模发电的行列，并已有商业化应用和军事运用的成功先例。在军事和商业领域，对先进的发电技术的需求正变得日益迫切和重要。诸多影响国家安全因素中包含这样一种需要，即减少对国外原油的依赖，向重要的军事、政治和经济部门提供充足安全的电力能源、应付类似 9.11 袭击等突发事件。而且社会和军队的现代化发展，能源的消耗量无疑是巨大的。这种国家战略安全的需要和巨大而昂贵的能源消耗正迫使国家有关部门去挖掘可替代能源以确保不断增长的能源需求。我国正处于高度发展的现代化建设的战略转型期，对能源的需求非常大，并且严峻的国家安全环境和复杂的台海局势的任何异动，都会对国家的能源安全提出挑战。从国家安全和国民经济可持续发展的战略高度出发，我国必须大力发展军民两用燃料电池发电技术油机发电机组。作为通信电源野外工作的主要动力源，目前应用最为广泛，性能稳定可靠，但是也存在一些缺陷。例如，油机发电机组的效率不高（30%左右）；排放为有害气体（含有氮和硫的氧化物等有毒性物质）；在工作时存在不可避免的噪声、震动、高温等问题；其点火系统、输出电压波形畸变、碳刷与滑环(换向器)的电火花等都产生电磁波辐射，很容易暴露目标，和对通信信号产生不可避免的干扰；而且目前的发电机组的平均故障间隔时间(MTBF)和平均修理时间(MTTR)指标不高，需要进一步提高机动性、隐蔽性与可靠性。对于驻守在偏远地区和高寒山区的部(分)队，现有油机发电机组的性能受限，工作状态极不稳定。(3)接入供电网供电。在和平年代，我军通信装备的电源问题主要还是依靠接入公用供电网的方式解决。但随着国民经济的迅猛发展，各行各业对电力需要越来越大，电力部门不堪重负，各地方都采用了局部轮流停电的形式保证重点行业和部门的供电，不可避免地影响到部队的工作生活用电。而此时，仅仅依靠现有的油机发电机组已完全不能满足现有装备的电力需求，对部队的训练和执勤保障带来了极大的不便，影响了部队战斗力的生成。加之，台海局势的紧张，如发生不测事件及美国等国家可能的武力介入，在此情况下，我国不仅仅是面对台湾由民进党把持的军队，更大程度上是面对美国的强权势力，美国在科索沃战争中和两次伊拉克战争中使用的石墨炸弹和摧毁能源设施的举动完全可能会施加于我国的电力系统。我们必须制定相应的措施，未雨绸缪，防患于未然。与现有的汽、柴油机发电机组和蓄电池电源相比，军用燃料电池不仅可以弥补汽、柴油机发电机组难于克服的强目标特征信号（噪声、红外辐射、电磁辐射等）、弱目标隐身能力的安全缺陷，同时批量化后其体积重量、可靠性、操作和维护工作量、工作寿命、持续工作时间和防水性能等方面都较汽、柴油机发电机组有明显的改善。而批量化后逐步应用于实际任务时，燃料电池的体积重量、容量（能量密度）、持续工作时间、使用寿命等指标都要大大优于蓄电池电源，而且无需充电，避免了内漏电、过充电和过放电等损害电池寿命和容量等问题，大大减小了其维护工作量。综上所述，燃料电池作为分散电源供电系统，在战争状态下的可靠性是任何其他系统所无法比拟的。即便是在和平建设时期，其发电特性与传统供电形式也具有许多优势。加快发展我国的燃料电池发电技术，对保障国家安全，抵御外敌入侵，促进国民经济健康发展和军队建设将起到不可估量的作用。2.1.1工作原理燃料电池是利用水的电解的逆反应的发电机。它由阳极、阴极和两极中间的电解质所组成。对外部电路来讲，阳极称作负极，阴极称作正极。它的发电方式与常规化学电池一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢等)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧等)的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成总的电的回路。在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行，即在燃料电池内，可在其操作温度下利用化学反应的自由能。但是，燃料电池的工作方式又与常规的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内，而是贮存在电池外的贮罐内，当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也需排出一定的废热，以维持电池工作温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，而贮存的能量则由燃料和氧化剂的贮罐决定。燃料电池的种类较多,按燃料的供应方式来分类,可分为直接和间接供氢两种,直接供氢就是直接用氢作燃料,没有中间重整过程；间接供氢是通过重整装置先将氢从其它形式的燃料中分离出来。按工作温度来分,可分为低温(100)、中温(100-300)和高温(500-1000)燃料电池。按采用的电解质类型来分,燃料电池大致可分为6种:质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电化物燃料电池(SOFC)。2.1.2燃料电池的类型质子交换膜燃料电池（PEMFC）该技术是美国通用电气公司在 20 世纪 50 年代发明的，被美国航空航天局用来为其 Gemini 空间项目提供动力。目前这种燃料电池是最有前途、也是交通业拟用来取代原来使用的内燃机的一种燃料电池。质子交换膜燃料电池有时称为固态聚合物电解质膜燃料电池。在质子交换膜燃料电池中，核心是一个由多孔碳电极和一层薄的质子能够渗透但不导电的聚合物膜电解质组成的膜极组(MEA)。膜极组夹在两个集电板之间，通过两个集电板向外电路输出电力。膜极组和集电板串联组合成一个燃料电池堆。 质子交换膜燃料电池具有较高的效率，在正常工作条件下，效率可达到近50%，其电功率密度也很高。工作温度约为 60-80，燃料电池能很快地达到运行所需的温度条件。因为具有高效率、高功率密度和起动快的特点，这也是其作为替代内燃机引擎的吸引力之一。但在这样的低温下，电化学反应正常地缓慢进行，通常在每个电极上的一层薄的白金进行催化。贵重金属催化剂的使用及相关部件生产工艺带来了 PEMFC 的高成本。随着原材料的改进和大规模生产技术的应用，将带来 PEMFC 技术的广泛应用。据美国能源部评估，如果每个燃料电池堆达到每千瓦 35 美元目标，对汽车市场极具吸引力。即便 10 倍于这个价格，对固定式和便携式应用也是可以接受的。碱性燃料电池（AFC）碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池的设计相似，但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。碱性燃料电池的工作温度与质子交换膜燃料电池的工作温度相似，大约 80。因此，它们的启动也很快，但其电流密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。磷酸燃料电池（PAFC）PAFC 是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。这种电池除使用液体磷酸为电解质外，电池结构和 PEMFC 类似。PAFC 的效率与 PEMFC 相近，但其功率密度要小于 PEMFC，工作温度要比质子交换膜燃料电池高，在 200左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。但同时因温度高而可以热电联产，并且具有构造简单、工作稳定、电解质挥发度低等优点。在过去的 20 多年中，大量的示范项目验证，磷酸燃料电池能成功地用于固定的应用，已有许多发电能力为 0.220 MW 的工作装置被在世界各地，为医院，学校、银行、政府机构和军事基地提供电力和热能。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)MCFC 主要为中型到大型固定式应用或海上应用而设计。与上述的燃料电池差异较大，这种电池是使用镍或氧化镍作为电极，以熔融锂钾碳酸盐或锂钠碳酸盐作为电解质，以不锈钢作为集电板。工作温度在 650，因此不需要贵重金属作催化剂。在这样的高温下，还能在内部重整诸如天然气和石油等碳氢化合物重整出的一氧化碳与水蒸气化合产生二氧化碳和氢气，解决了氢的供应问题，同时内部重整技术也大大简化了燃料电池科技中要求的辅助设施问题。但有一些碳氢化合物还需额外的燃料处理过程。这种燃料电池的效率可达 60%。如果热量能够加以利用，其潜在的效率可高达 80%。MCFC 电池需要较长的时间方能达到工作温度，因此不能用于交通运输，其电解质的温度和腐蚀特性表明它们用于家庭发电不太安全。但是其较高的发电效率对于大规模的工业加工和发电汽轮机则具有较大的吸引力。MCFC 市场定位还包括容量从 100kW 到 2MW，应用于小型分布式电力系统和建筑物的热电联供系统。50-100 MW 容量的设计已提到议事日程。固态氧化物燃料电池（SOFC）固态氧化物燃料电池工作温度比熔融碳酸盐燃料电池的温度还要高，工作温度位于 800-1000之间。高工作温度简化了系统结构，实现氢的内部重整，并更易于热电联供系统和混合电力系统的发展。由于使用诸如用氧化钇、稳定的氧化锆等固态陶瓷电解质和陶瓷镍电极，可以制成各种形状的 SOFC。常见有管式、平板式和瓦楞式三种。SOFC 目前发展的重点在于减低制造成本，提高系统综合度和降低工作温度(550-750)。由于制造高温材料成本很高，工作温度的下降可以降低成本，并有助于燃料的重整。由于使用了固态的电解质，SOFC 比 MCF更稳定。固态氧化物燃料电池的效率约为 60%左右，基于氢重整装置的简化和混合电力系统的结合，可以广泛地应用于住宅用电力系统、车辆辅助电源和大型电站应用。直接甲醇燃料电池（DMFC）DMFC 是 PEMFC 一个变种，优点是直接使用甲醇而勿需预先重整。这种电池的标准工作温度为 120，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约是 40%左右。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。直接甲醇燃料电池使用的技术仍处于其发展的早期，但已成s功地显示出可以用作移动电话和膝上型电脑的电源，将来还具有为特殊的终端用户使用的潜力，是单兵战斗支持系统的理想电源。2.1.3燃料电池系统构成一个燃料电池系统由六个基本的子系统组成：燃料电池堆、燃料处理、空气管理、水管理、热量管理和功率调节子系统。每个子系统都要围绕电池堆特性综合成一个完整的系统而设计。追求这些子系统的最佳集成是制造合理性价比燃料电池系统的关键。其中，燃料电池堆是燃料电池系统的主要部件，各个独立的电池堆组成的模块可进行串联或并联组装。这样能够组装成容量从几瓦到几兆瓦的发电系统。燃料电池的另一主要部件燃料处理器，虽然不能和电池堆一样实现模块化，但两者的一体化封装，也可以满足小到 kW 级电力的各种应用。功率调节系统把燃料电池的电力输出转换成适合特别需求和为其他辅助系统提供电源。燃料电池堆输出直流电压，这个电压随负载变化而产生变化。需要一种功率转换开关，使输出电压达到应用匹配要求和保护燃料电池免于过流或低压运行。如果应用要求输出交流电，则需采用逆变器把燃料电池堆的输出转换成单相或三相电压。如果要与电力网联接，功率调节系统必须实现燃料电池输出与电力线路的频率同步，并在电力线路断电时，具有预防由燃料电池输往电力线路的电力的安全隔离特性。2.1.4燃料电池系统特性与传统电力系统相比，燃料电池系统展现出较多的优势，包括模块化设计、各种负荷状态下的高效率和环保性。这些优势和旨在降低成本的努力，使燃料电池具有多种应用的吸引力。在各种应用领域，燃料电池系统表现出诱人的电力转换效率。而且在非设计条件情况下，也能保持较高的效率。如果燃料电池系统单独运行，效率可达40-50%，很少的中等规模传统发电系统在设计条件内能达到这个指标。而且，在部分负载特性方面，传统发电系统也不能象燃料电池发电系统一样保持高效率。更复杂的燃料电池系统能达到更高效率。由 SOFC 尾气所驱动的气涡轮机和燃料电池组成的复合系统，电力转换效率可达 60%。因为较小规模燃料电池也具有相当高的能量转换效率，在类似住宅场所作为热电联产应用是相当有潜力的，其效率可达到 80%。燃料电池的吸引力还在于它们比传统发电系统对环境影响比较小。燃料电池堆本身只利用氢作燃料，而在反应中产生水。如果通过重整设备从碳氢化合物提取氢，会产生二氧化碳。然而，燃料电池在反应中产生的 CO、NOX、 SOX等污染物，要远远低于现有的空气质量排放标准，甚至根本不排放。由于系统能量转换效率高，燃料使用的数量就少，现不受严格控制的二氧化碳的排放也较少。除了控制污染物的排放量最小化外，燃料电池系统也是相对安静和无噪声的，对环境的综合影响较小。这个特性使燃料电池系统能够安装在传统电站不易建造的地方，比如可以安装在医院、住宅区，甚至在城市的中心公园。燃料电池就近安装，能减少电力传输损失、供热供电基础设施费用，并且在一定程度上提高了电力系统的可靠性。在其它特性上，如响应时间、工作寿命、可维护性和成本，预示着燃料电池系统较现有系统更具优势。PAFC 系统的示范项目表明，在设计温度下运行，燃料电池系统对负载变化的响应速度每秒要比现有系统高 0.3-10%。13。而且，燃料电池的空气压缩机、燃料处理器等辅助系统所占的响应时间要多于燃料电池堆本身。对于高温燃料电池如 MCFC 和 SOFC,需要花较长时间来达到工作温度，因此这些系统往往应用于需要持续和长期供电的建筑物和大型交通运输工具(如舰船、机车和大型运输车等)。另一方面，由于 PEMFC 可以很快地达到其 60-80工作温度，在间歇工作的小汽车动力电源方面有较大的应用前景。除了辅助子系统外，燃料电池堆本身并没有移动部件，因而燃料电池堆耐用性较好，其工作寿命在固定式应用中可达 40 000 小时，在小汽车应用中可达 5000小时。到报废期限时，燃料电池堆可以回收并重新利用。而其辅助系统的工作寿命可长达 20 年，一次安装可以连续为四至五个燃料电池堆服务。诸如鼓风机、压缩机、空气泵、控制设备等辅助系统，可以由专业人员实施日常维护和保养。PAFC示范项目证实，随着辅助支持系统技术的成熟，相关的维护保养工作量在下降，而燃料电池堆几乎不存在维护和保养问题；包括燃料电池堆更换费用在内的维护费用大概保持在每千瓦时 1 美分到 3 美分之间。14。目前，已投入商业应用的含天然气处理器的 200kW 的 PAFC 系统造价大概在5000-5600 美元/kW.其它类型的燃料电池系统的造价因规划和设计而异。在今后五年内，基于 PEMFC、MCFC 和 SOFC 的发电系统的造价有希望能降低至1000-3000 美元/kW。随着设计和制造技术的提高和产品容量的扩大，燃料电池系统的成本有望降至 1000 美元/kW 甚至更低15。特别是汽车制造业正致力于把一个含有燃料处理器和其它子系统的 PEMFC 系统成本明显降低至 50 美元/kW。在固定式应用方面，低于 1000 美元/kW 的成本将使燃料电池系统可以与传统发电系统形成竞争态势。每 kW 几百美元的造价将使燃料电池技术在固定式应用市场具有统治地位，并可以掀起一场能源生产和配置方式的大变革。2.2 燃料电池系统应用2.2.1 便携式电源当便携式电子设备对供电需求不断增长时，传统一次性电池和二次电池(可充电电池)似乎已不能完全满足其不断增长的能源需求。便携式电源指的是能够个人携带，功率输出在几瓦至数百瓦之间的系统。如野外应用电源，娱乐设备电源，便携式电子产品(电脑、手机等)电源和战场士兵战斗支持系统电源。基于DMFC和PEMFC技术的燃料电池非常适合这类应用。因为液体甲醇运输方便，DMFC尤其具有独特的吸引力。作为便携式应用的燃料电池，是可以和相关电子设备结合。成一体的小型燃料电池。盒装的甲醇或罐装压缩氢气可以插入燃料接口，供给料电池的空气可以通过对流或小型送风机来实现。如果燃料消耗完了，燃料箱可以更换。因此，根据需要携带额外的燃料筒，既可以省去充电的过程，又降低运输额外电池的成本。当作为便携应用的燃料电池技术走向商业化之时，还有一些困难必须克服。一是小型燃料电池缺乏今天一些高科技产品如笔记本电脑和个人数字助理在启动时要求的高脉冲功率能力。当前克服此障碍的设计方法是采用一个混合系统结构，即在 DMFC 或 PEMFC 的基础上，加上一个充电电池组并入系统电路。用此方法，电池能够满足最初的启动时要求的高功率，然后经过转换开关后，燃料电池能够提供长期的稳态的工作电力。一个发布于 2004 年 8 月的便携式燃料电池市场研究报告表明，带有充电装置的手持电子产品在 2011 年前有 22% 将由微型燃料电池所驱动。各方面的原始设备制造商宣布在 2005 年实现笔记本电脑用微型电池供电的商业计划，并推出了各种型号的笔记本电脑和手机用燃料电池。重要的军事应用燃料电池也将在 2006年实施2.2.2 汽车动力全世界对燃料电池的兴趣日渐增长的背后，不可否认的是，其主要的推动力量是燃料电池系统在交通运输业的诱人应用前景，其中也包括作为私人轿车动力源应用的潜在优势。北美、欧洲和日本的汽车制造厂商已经投资数十亿美元，用于促进PEMFC技术在运输行业的应用，生产出具有高效、低排放的特性，成本和体积可以与现有内燃机引擎相媲美的燃料电池功率装置。今天，许多有关燃料电池堆的技术难题已经或即将解决，当前发展的重点在于降低成本和解决燃料供应和系统集成的相关技术。PEMFC以氢作燃料，能产生高达1.35kW/升的功率密度，这在示范项目中得到验证。一些汽车厂商已经推出了功率在60-80kW的燃料电池系统的概念车，在起动时间、时速、行驶距离和驾驶空间等性能上与传统燃油轿车具有可比性，但在氢的补给问题各厂商设计大相径庭。虽然氢的能量转换效率很高，但要解决存放气态氢的高压罐材料或液体氢的超低温处理问题，如果考虑从碳氢化合物(汽油、甲醇)中提取氢，则要解决氢的重整、汽油脱硫、甲醇基础设施建设及安全操作等技术难题。同样降低燃料电池堆及配套设施的成本也是研发汽车动力应用燃料电池系统中的一个迫切需要解决的材料技术和制造工艺的问题。2.2.3 固定式应用在许多方面看来，燃料电池相对于汽车动力源的应用，更适合于作为分布式电源应用的类似固定式应用方式。在固定式应用中，大多数的系统将持续工作，从冷启动达到工作温度所需时间不再是一个重要的指标。因此，除了 PAFC 和PEMFC 系统外，较高工作温度系统如 MCFC，SOFC 也可以考虑作为固定式应用的对象。另外，现今在某些燃料电池系统应用领域高达 1500 美元/kW 的成本，对固定式应用来讲，这是可以接受的、具有吸引力的价格。而且在固定式应用中，燃料主要来源于天然气，其主要成份是属于轻质烃的甲烷，相对容易重整，并且天然气的配送基础设施健全。因此，有前途的固定式应用包括高品质电源、热电联产系统(应用于住所、商业建筑和工业设备)和电力网的分布式电站。许多诸如政府的数据处理中心、电讯设备和重要部门的设施要求非常高品质的电源。电噪声、电压扰动和电力中断都会造成珍贵资料的丢失或信息传输的中断。许多工业生产过程，如半导体制造业，也有同样的高品质电源需求。医院一旦断电，需具备继续手术的应急电源。传统的采用柴油机作为现场后备电源系统通常在紧急情况下使用。而拥有高效率、低噪声和低排放的燃料电池系统能够连续地支持或代替这些场所的供电需求，可以作为常载的供电系统应用于这些场合。即便是没有后备电源的需求，燃料电池系统在同时热能和电力的场所也是具有吸引力的。比如一个服务于住宅的燃料电池系统可以给照明、空调等生活设施提供电力，同时也可以利用热能提供热水。适用于住宅设施的基于 PEMFC 和SOFC 的燃料电池科技正在发展中。同样对此有需求的还有医院、学生宿舍、旅馆和办公楼等场所。电能和热能的双重利用使燃料电池系统比市电更加经济。电力公司也因为燃料电池具有高效率、模块性和环保性等因素，有兴趣把它作为中心电站或分布式电源使用。分布式电源一般应用于偏远地区或是电力需求增长超出电力设施承载能力的地区。对这些地区来说，就近扩大电力生产能力比改造现有电力网更经济合算。燃料电池发电系统模块化、可调的装机容量等特性比传统发电系统更适合配置在这些地区和场所。到目前为止，固定式燃料电池应用开展最好的国家是日本。其政府早在上个世纪 80 年代就开始向燃料电池固定式应用项目提供资金支持，并且一些日本公司，如 Tokyo Gas 和 Osaka Gas 已经进行了世界上最大规模的固定式燃料电池系统的试验项目。美国对此项目应用的政府支持也很显著，主要是美国的能源部和国防部，自 1994 年以来，已经在 30 个军事基地进行了 PAFC 示范项目。大多数的已经运行的系统是 PAFC 发电系统，在固定式应用方面目前拥有最先进的科技和商业化先进技术支持。这些系统绝大多数是美国的 UTC Fuel Cells公司从上个世纪 90 年代开始出售的 200kW 的 PC25 系统。International Fuel Cells公司也在 70 年代至 80 年代进行了 PAFC 示范项目，并且 PC25 系统已经在全球有了广泛的应用。而就军事应用来说，PAFC 和 SOFC 主要倾向于应用在大型军事基地和重要军事目标的大功率的现场热电联供项目，而 DMFC 和 PEMFC 更具有作为小功率的固定或移动通信设备的电源应用的潜力和优势。2.3PEMFC 作为军事通信电源的优势通信电源是现代战争通信的动力源，其工作性能直接决定了野战部队的机动能力、作战半径和生存能力，是贯穿现代高科技战争的神经网络。PEMFC 的优良特性使其能够满足未来复杂、多变的战场环境对通信电源的特殊要求。与传统的通信电源相比，PEMFC 具有以下优势：隐身性能好，具有很低的目标特征信号PEMFC 发电系统由于工作时基本无转动部件，而且是通过化学反应直接产生电流，安静（现有的柴、汽油发电机组的工作噪声大于 90dB，而上百千瓦的燃料电池发电系统噪声就低于 50dB，相当于家用空调的噪声等级）、低温（最高 80左右）。因此与柴、汽油机发电机组相比，军用燃料电池可以弥补柴、汽油机发电机组难于克服的强特征信号（声波、红外、电磁等）辐射、弱隐身能力的缺陷，提高战场的抗毁能力，尤其适合应用于野外侦察、山地突袭等灵活机动的作战方式。维护方便，可靠性高，使用寿命长因为燃料电池发电系统由于其工作时基本无转动部件，不存在机械磨损和事故隐患，也没有了蓄电池的内漏电、过充电和过放电等问题，因此大大减少了维护工作量，使用寿命长，可靠性高。能量密度高，持续工作时间长燃料电池具有高的能量密度，集成化的燃料电池发电系统其能量密度可以是同功率等级下锂电池的两倍。目前最好的锂电池理论能量密度是 1470Wh/kg，但正常情况下利用率仅为 20%, 为 300Wh/kg，而采用同等重量的燃料电池，能量密度可达到 2620Wh/kg。同时，燃料电池能够实现不间断的长时间供电。由于燃料电池的燃料和氧化剂由外部供应，因此与蓄电池相比，持续工作时间存在明显优势。只要有足够的燃料储备，无需充电，整个发电系统就能够实现长间不间断工作。燃料多样，效率高燃料电池燃料利用率可达 98%，能量转换效率高达 60-80%，实际使用效率则是普通内燃机的 2-3 倍，为 60%。不管是满负荷还是部分负荷燃料电池均能保持高发电效率，具有很强的过负载能力。通过与燃料供给装置的组合，可以采用氢气、醇类等富氢物质作为燃料。体积小，重量轻。可以实现单兵背负作战，克服了蓄电池容量小和柴（或汽）油机发电系统不能移动的缺点，在现在瞬息万变的战场上使其存活率得以大大提高。运输/储存能量无损失，燃料填装方便快捷。燃料电池发电系统不同于一般的电池，当不工作时，电池内部并没有可以发生反应的物质，也就不存在内放电等问题，唯一需要储/运的是燃料，而采用贮氢合金的储氢方法可以实现安全、无泄露的燃料储/运。2.4 军用 PEMFC 电源研发的关键技术根据野战和固定应用通信电源的发展需求，结合现有燃料电池的研究水平，应在以下几个方面展开对小型野战燃料电池发电系统的关键技术研究：系统的简单化、模块化与轻便化设计燃料电池的稳定、正常工作需要一个比较复杂的系统，但另一方面，在保证供电质量的前提下，为不失系统的机动性，系统应该进行适当的简化，不能过多牺牲其优点来换取供电性能的有限提高。因此，在保证供电性能的前提下，系统设计向便携化、轻型化看齐。各主要部件以及系统的整体设计应力求简单、方便、易操作，各功能单元应力求模块化。当前，研究重点应放在燃料电池堆的小型化、轻型化，DC/DC 电能变换、水/热管理、控制等功能单元的模块化。其中，PEMFC的小型化和轻型化研究主要在以下几个方面：改善催化剂性能，提高电极的利用率；进行新型、高效的流场分布设计，改善电池堆的内部增湿环境；选取更高性能的质子交换膜，提高其电流密度，增大电池的输出功率；采用性能更为优良的复合材料。整体系统的有效集成燃料电池的稳定工作需要其各个子系统的协调，在进行了各子系统的方案设计与研制后，需要对系统的集成进行研究，保证整体系统能够正常、稳定的工作，其内部器件要合理配置，同时又要满足整体小型化、集成化的要求。在总体方案制定阶段需要对发电系统的各个部分的外形、尺寸、工艺等方面进行预先规划，进行一体化设计，以便于整体系统的集成、装配，也利于系统的保养与维护。影响系统性能的运行参数和影响要素并不是独立的，彼此之间相互制约、相互影响；单个参数的改变可能会改变其他所有的参数，从而影响整个系统的工作性能。因此，在系统及其控制方案设计中，必须综合考虑这些参数的协调控制，而不能各行其是，顾此失彼。可利用模糊控制技术，把握总体，对复杂多变的参数进行优化，实现对其的有效控制。储氢单元的储氢器设计和储/供氢特性的提高从稳定性与安全性的角度出发，比较实用的是可逆金属储/供氢方式。由于贮氢合金在吸/放氢过程中伴随着自身体积、温度